CN114675095A - 基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法及装置，方法包括：（Ⅰ）主回路模型设计；（Ⅱ）建立主回路模型，用实时状态仿真器虚拟主回路；（Ⅲ）控制器采集虚拟主回路模拟输出量；（Ⅳ）开发三电平逆变器控制程序，完成SVPWM控制；（Ⅴ）控制器驱动虚拟主回路中IGBT的通断；（Ⅵ）反复优化调试直到满足目标要求；调试装置由计算机、实时状态仿真器、控制器和示波器组成。本发明完成三电平逆变器中控制器程序和主回路器件参数的调试，保证三电平逆变器调试过程的安全性，提高逆变器调试效率。
Description
技术领域
本发明属于三电平逆变器调试领域，具体涉及一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法及装置。
背景技术
与两电平相比，三电平逆变器拓扑结构设计、控制方法都更加困难。三电平逆变器调试阶段，主回路IGBT、电抗器、电容等缺乏深度的验证，在控制系统软件程序不断优化过程中，出现问题的概率大，容易引起IGBT炸裂等危险，还可能损坏电抗器、电容等元器件，要改换元器件，需要耗费大量的研制时间；当逆变器样机模型改变或者控制策略改变时，需要重新设计样机，增加研制成本；试验在强电下进行，可能发生触电等危险，并且还可能由于功率器件过压或过热等引起安全事故。传统软件仿真方法能够实现对逆变器基本原理和系统控制策略进行验证，但是无法做到验证控制器中真实程序代码，也无法随时根据需要更改主回路硬件结构设计，通过软件仿真后直接进行样机调试也容易发生危险。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法及装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，包括以下步骤：
（Ⅰ）主回路模型设计；
（Ⅱ）建立主回路模型，并加载到实时状态仿真器中，用实时状态仿真器虚拟主回路；
（Ⅲ）控制器采集虚拟主回路模拟输出量；
（Ⅳ）开发三电平逆变器控制程序，并通过虚拟主回路模拟输出量完成SVPWM控制；
（Ⅴ）控制器输出PWM脉冲信号至虚拟主回路，驱动虚拟主回路中IGBT的通断；
（Ⅵ）反复优化调试直到示波器监测输出线电压波形满足目标要求。
在上述技术方案中，所述方法基于I型结构设计的三电平逆变器调试装置。
在上述技术方案中，所述主回路模型基于PLECS平台建立，并通过PLECS平台中Coder option模块加载到实时状态仿真器中。
在上述技术方案中，所述三电平逆变器控制程序为基于CCS6.0开发三电平逆变器SVPWM控制程序。
在上述技术方案中，所述SVPWM控制的完成具体为：虚拟主回路的三相输入电压信号经过A/D转换后，合成参考电压矢量，进一步确定参考电压矢量位置，开关矢量作用时间，以及完成时间状态分配，并通过采集到的中点电压和三相输出电流进行中点电位平衡控制，完成SVPWM控制。
在上述技术方案中，所述优化调试方法为：改变主回路模型中器件参数，然后重新加载模型到实时状态仿真器，再次进行半实物仿真调试试验，通过观察示波器波形，不断修改参数，直到最终满足逆变电压输出要求。
在上述技术方案中，所述优化调试方法为：通过在CCS上优化控制器控制程序，并重新下载到控制板中，不断优化试验，直到最终满足逆变电压输出要求。
在上述技术方案中，所述优化调试方法为：修改主回路器件参数，同时优化控制器控制程序，直到最终满足逆变电压输出要求。
一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试装置，包括计算机、实时状态仿真器、控制器和示波器，所述控制器包括控制板、电压转化电路、通讯接口电路、模拟采集电路和PWM电平转换电路；所述计算机用于主回路模型的建立，其与实时状态仿真器通信连接，用于实现将主回路模型加载于实时状态仿真器中获得虚拟主回路，计算机与控制板通过通讯接口电路现通信，用于实现控制指令的更新；控制板与实时状态仿真器输出端通过模拟采集电路连接，采集实时状态仿真器输出的三相输出电压信号、三相输出电流信号、直流电压信号和中点电压信号，通过PWM电平转换电路与实时状态仿真器的输入端连接，将其PWM脉冲信号输送至实时状态仿真器。
在上述技术方案中，所述主回路模型包括依次电连接的控制电路、三相LC滤波器和负载，以及多个数字信号输入通道和多个模拟信号输出模块；三相LC滤波器和负载之间设置测量模块，控制电路和三相LC滤波器之间，以及测量模块与负载之间均设置示波器；所述控制电路包括两个分压电容、十二个绝缘栅双极型晶体管和六个箝位二极管，十二个绝缘栅双极型晶体管每四个一组串联连接形成一个绝缘栅双极型晶体管组，三组之间并联连接，且每个IGBT反并联续流二极管；两个分压电容串联后与绝缘栅双极型晶体管组并联，六个箝位二极管每两个串联连接成一个箝位二极管组，箝位二极管组与绝缘栅双极型晶体管组位于中间的两个绝缘栅双极型晶体管并联，且每组箝位二极管组相互连接。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法及装置，完成三电平逆变器中控制器程序和主回路器件参数的调试，保证三电平逆变器调试过程的安全性，提高逆变器调试效率。
附图说明
图1是本发明基于半实物仿真的三电平逆变器调试装置的结构示意图；
图2是本发明基于半实物仿真的三电平逆变器调试装置中主回路模型的示意图；
图3是本发明基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法的流程图。
其中：
1 计算机
2 实时状态仿真器
3 控制器
31 控制板 32 电压转化电路
33 通讯接口电路 34 模拟采集电路
35 PWM电平转换电路
4 示波器。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法及装置的技术方案。
如图1、2所示，一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试装置，包括计算机1、实时状态仿真器2、控制器3和示波器4，
所述计算机用于主回路模型的建立，其与实时状态仿真器2通信连接，用于实现将主回路模型加载于实时状态仿真器2中获得虚拟主回路，计算机1与控制器3通信连接用于实现控制指令的更新；实时状态仿真器2与控制器3连接，实现相互通信，所述示波器4与实时状态仿真器2三相输出电压线连接，监测实时状态仿真器2的输出线电压波形。
所述控制器3包括控制板31、电压转化电路32、通讯接口电路33、模拟采集电路34和PWM电平转换电路35；控制板31通过通讯接口电路33与计算机1实现通信，通过电压转化电路32获得供电电源，通过模拟采集电路34采集实时状态仿真器2输出的三相输出电压信号、三相输出电流信号、直流电压信号和中点电压信号，通过PWM电平转换电路35将其PWM脉冲信号输送至实时状态仿真器2。
所述控制板31为DSP28335，整个控制器以DSP28335控制板为核。通过计算机1中CCS6.0软件编写三电平逆变器控制程序，通过通讯接口电路加载到DSP控制板中，DSP同时采集虚拟主回路RT Box输出的电压、电流信号，经过DSP处理后，输出SVPWM脉冲，经过PWM电平转化电路后作用在RT Box中，控制虚拟主回路IGBT的通断。
所述示波器4为计算机PLECS软件示波器。
所述控制器3采用外部24V直流电源供电。
所述电压转化电路32、通讯接口电路33、模拟采集电路34和PWM电平转换电路35均采用本领域公知常规电路实现。
所述主回路模型在计算机电力电子仿真软件PLECS上完成。
所述主回路模型包括依次电连接的控制电路、三相LC滤波器和负载，以及多个数字信号输入通道和多个模拟信号输出模块；三相LC滤波器和负载之间设置测量模块measure，控制电路和三相LC滤波器之间，以及测量模块与负载之间均设置示波器。
所述控制电路包括两个分压电容C1、C2、十二个绝缘栅双极型晶体管IGBTSa1~Sa4、Sb1~Sb4、Sc1~Sc4和六个箝位二极管D1~D6，十二个绝缘栅双极型晶体管IGBT每四个一组串联连接形成一个绝缘栅双极型晶体管组，三组之间并联连接，且每个IGBT反并联续流二极管，两个分压电容C1、C2串联后与绝缘栅双极型晶体管组并联，六个箝位二极管每两个串联连接成一个箝位二极管组，箝位二极管组与绝缘栅双极型晶体管组位于中间的两个绝缘栅双极型晶体管并联，且每组箝位二极管组相互连接。
所述主回路模型还包括两个电压表V1、V2，电压表V1测量直流电源电压Vdc，电压表V2测量中点电压Vmid。
所述绝缘栅双极型晶体管的基级分别于数字信号输入通道连接。
所述测量模块measure由电压传感器测量三相线电压，电流传感器测量三相电流；
两个所述示波器分别测量滤波前输出线电压Vab和滤波后线电压Vab1。
所述仿真主回路中带有相同标签的部分是电气连接的，如主回路中IGBT基级Sa1与PWM Capture的第1个通道Sa1是相连接的。
PWM Capture模块为数字信号输入通道，将12路IGBT的触发脉冲接入PWM Capture相应通道上，便于接入PWM脉冲信号，从而控制IGBT的通断。
Analog Out模块为模拟信号输出模块，通过采集电路电压、电流信号，通过AnalogOut模块将数值按一定比例缩小，以满足实时状态仿真器RT Box输入要求。
主回路模型中PWM Capture和Analog Out模块的通道与RT Box是一一对应的，因此通过RT Box的相应引脚模拟输出三相线电压、三相电流、直流电压和中点电压，并接受来自控制器的12路PWM脉冲信号。
逆变器直流侧输入一定直流电压，接入PWM脉冲信号驱动12路IGBT通断，经过LC滤波后作用于负载，通过改变PWM控制算法，可以满足逆变器调频、调压要求，并可以通过示波器实时监测输出逆变电压波形，可以调试直流侧电容，滤波电感、滤波电容的值，以达到输出电压要求。
本发明基于半实物仿真的三电平逆变器调试装置是基于电力电子仿真软件PLECS搭建三电平逆变器主电路模型，模型中的8个模拟输出量，分别是电压传感器采集输出的三相电压、电流传感器采集输出的三相电流和电压表测出的直流电源电压和中点电位电压。主回路模型中还有12个数字输入量（PWM Capture模块），分别控制主回路12个IGBT的通断。将主回路模型通过PLECS软件中Coder option模块加载到实时状态仿真器RT Box中，此时RT Box可以虚拟主回路。基于CCS6.0编写三电平逆变器控制程序，加载到基于DSP28335的控制器中，控制器中设置有8路模拟输入接口和12路数字输出口，通过转接板将RT Box与控制器连接起来，并用示波器监测输出波形，此时计算机、RT Box和控制器构成三电平逆变器调试装置。该调试装置可以通过PLECS软件示波器实时监测输出逆变电压波形，并且可以在PLECS软件中根据需要随时更改主回路模型加载到RT Box中作为虚拟主回路，控制器DSP程序也随时可以在计算机中CCS软件上更新。整个调试系统在弱电下进行，不用担心调试过程发生触电危险，通过三电平逆变器调试装置，可以完成控制器中控制程序的调试，并且可以验证主回路硬件结构设计。
实施例2
三电平逆变器拓扑结构分为I型结构和T型结构，本实施例以实施例1的基于半实物仿真的三电平逆变器调试装置为基础，一种基于半实物仿真的I型结构设计的三电平逆变器调试方法，如图3所示，包括以下步骤：
（Ⅰ）主回路模型设计
弄清三电平逆变器原理的基础上，开始S1；
（Ⅱ）搭建虚拟主回路
基于PLECS平台建立主回路模型，并加载到实时状态仿真器RT Box中，用实时状态仿真器RT Box虚拟主回路，完成S2；
（Ⅲ）控制器采集虚拟主回路模拟输出量
通过控制器采集电路采集虚拟主回路的三相输出线电压、三相输出电流和主流侧电压和中点电压，作为控制器的被控对象，完成S3；
（Ⅳ）开发三电平逆变器控制程序，并通过虚拟主回路模拟输出量完成SVPWM控制
基于CCS6.0开发三电平逆变器空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制程序，三相输入电压信号经过A/D转换后，合成参考电压矢量，进一步确定参考电压矢量位置，开关矢量作用时间，以及完成时间状态分配，并通过采集到的中点电压和三相输出电流进行中点电位平衡控制，完成空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制，即完成流程S4；
（Ⅴ）控制器驱动虚拟主回路
将控制器输出PWM脉冲波形进行电平转换后驱动虚拟主回路RT Box中的12路IGBT，完成对每相IGBT的控制，即完成S5；
（Ⅵ）反复优化调试，直到示波器监测输出线电压波形满足目标要求
用示波器监测输出线电压波形，观察其是否为所需频率、幅值电压波形，若不符合最终要求，则有三种方法方便调试优化。
调试方法1，通过改变主回路模型中器件参数，如分压电容数值、滤波电感或电容数值等，然后重新加载模型进行半实物仿真调试试验，通过观察示波器波形，不断修改参数，直到最终满足逆变电压输出要求；
调试方法2，通过在CCS上优化控制程序，并重新下载到控制板中，不断优化试验，直到最终满足逆变电压输出要求；
调试方法3，通过既修改主回路器件参数，又优化控制程序的方式进行调试，直到最终满足逆变电压输出要求。
三种调试方式在三电平逆变器调试装置中都可以完成，通过反复优化调试，直到示波器监测输出线电压波形满足目标要求，即完成流程S6；
（Ⅶ）最后结束S7，完成三电平逆变器控制程序的开发优化验证和主回路硬件结构设计的验证。
本发明利用计算机中PLECS软件平台建立逆变器主回路模型，通过计算机PLECS软件示波器实时监测输出波形，实现逆变电压输出，还可以随时更换主回路中元器件和更改器件参数重新进行调试试验；利用三电平逆变器调试装置进行半实物仿真过程中，通过示波器实时监测RT Box模拟输出逆变电压波形，实现逆变电压输出，可以实时调节电压幅值与频率，并且可以随时验证控制程序的可行性。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（Ⅰ）主回路模型设计；
（Ⅱ）建立主回路模型，并加载到实时状态仿真器中，用实时状态仿真器虚拟主回路；
（Ⅲ）控制器采集虚拟主回路模拟输出量；
（Ⅳ）开发三电平逆变器控制程序，并通过虚拟主回路模拟输出量完成SVPWM控制；
（Ⅴ）控制器输出PWM脉冲信号至虚拟主回路，驱动虚拟主回路中IGBT的通断；
（Ⅵ）反复优化调试直到示波器监测输出线电压波形满足目标要求。
2.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述方法基于I型结构设计的三电平逆变器调试装置。
3.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述主回路模型基于PLECS平台建立，并通过PLECS平台中Coder option模块加载到实时状态仿真器中。
4.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述三电平逆变器控制程序为基于CCS6.0开发三电平逆变器SVPWM控制程序。
5.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述SVPWM控制的完成具体为：虚拟主回路的三相输入电压信号经过A/D转换后，合成参考电压矢量，进一步确定参考电压矢量位置，开关矢量作用时间，以及完成时间状态分配，并通过采集到的中点电压和三相输出电流进行中点电位平衡控制，完成SVPWM控制。
6.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述优化调试方法为：改变主回路模型中器件参数，然后重新加载模型到实时状态仿真器，再次进行半实物仿真调试试验，通过观察示波器波形，不断修改参数，直到最终满足逆变电压输出要求。
7.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述优化调试方法为：通过在CCS上优化控制器控制程序，并重新下载到控制板中，不断优化试验，直到最终满足逆变电压输出要求。
8.根据权利要求1所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法，其特征在于：所述优化调试方法为：修改主回路器件参数，同时优化控制器控制程序，直到最终满足逆变电压输出要求。
9.用于实现权利要求书1~8之一所述的基于半实物仿真的三电平逆变器调试方法的调试装置，其特征在于：包括计算机（1）、实时状态仿真器（2）、控制器（3）和示波器（4），所述控制器（3）包括控制板（31）、电压转化电路（32）、通讯接口电路（33）、模拟采集电路（34）和PWM电平转换电路（35）；所述计算机（1）用于主回路模型的建立，其与实时状态仿真器（2）通信连接，用于实现将主回路模型加载于实时状态仿真器（2）中获得虚拟主回路，计算机（1）与控制板（31）通过通讯接口电路（33）现通信，用于实现控制指令的更新；控制板（31）与实时状态仿真器（2）输出端通过模拟采集电路（34）连接，采集实时状态仿真器（2）输出的三相输出电压信号、三相输出电流信号、直流电压信号和中点电压信号，通过PWM电平转换电路（35）与实时状态仿真器（2）的输入端连接，将其PWM脉冲信号输送至实时状态仿真器（2）。
10.根据权利要求9所述的三电平逆变器调试方法的调试装置，其特征在于：所述主回路模型包括依次电连接的控制电路、三相LC滤波器和负载，以及多个数字信号输入通道和多个模拟信号输出模块；三相LC滤波器和负载之间设置测量模块，控制电路和三相LC滤波器之间，以及测量模块与负载之间均设置示波器；所述控制电路包括两个分压电容、十二个绝缘栅双极型晶体管和六个箝位二极管，十二个绝缘栅双极型晶体管每四个一组串联连接形成一个绝缘栅双极型晶体管组，三组之间并联连接，且每个IGBT反并联续流二极管；两个分压电容串联后与绝缘栅双极型晶体管组并联，六个箝位二极管每两个串联连接成一个箝位二极管组，箝位二极管组与绝缘栅双极型晶体管组位于中间的两个绝缘栅双极型晶体管并联，且每组箝位二极管组相互连接。
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